图片来源：曼彻斯特大学

新研究发现，氧化石墨烯在实验室中能够有效过滤水中97%的氯化钠，它会成为解决淡水危机的灵丹妙药吗？

撰文 刘小鸥

编辑 丁家琦

据联合国估计，到2025年，将有18亿人生活在绝对缺水的地区，同时约三分之二的人口将面临用水紧张^[1]。严格说来，我们的蓝色星球并不缺“水”——地表超过七成面积被海洋覆盖。人们守着这个巨大“宝库”，却无力掘出宝藏。

因此，不少发达国家开始投资发展海水淡化技术。利用膜材料进行选择性分离是淡化的常用方法之一，典型的材料包括聚合物分离膜等。但目前的技术条件几乎都存在问题，要么耗能巨大，要么对环境有负面影响等等^[2]。

实验中的新材料

在实验室中，科学家探索着新型材料石墨烯家族在这一领域的应用可能。一种石墨烯衍生物也吸引了研究者的目光——氧化石墨烯（graphene oxide，也称石墨烯氧化物）。氧化石墨烯的制备过程较为简单，具有较大的应用可能。

之前，氧化石墨烯已经被证实能够过滤一些纳米颗粒及有机分子，但对尺寸更小的盐却束手无策。氯化钠在水中溶解后，离子会被水分子簇拥，周围形成一层“水膜”，即水合层。问题是，氧化石墨烯长时间浸泡在水中后会变形扩张，因此很难进行有效的分离。

氧化石墨烯膜系统机制示意图。红灰相间的代表水分子，而绿色与蓝色圆点代表离子。左图是浸泡变形的氧化石墨烯膜系统，层间距变大而无法有效进行有效分离。右图是新研究中处理后的膜系统。

图片来源：参考材料[2]

最近，英国的一组科学家解决了这个棘手的问题。他们利用环氧树脂在氧化石墨烯侧面“筑墙加固”，不仅有效地阻止了变形，还能更精确地调控氧化石墨烯层间的间距^[3]。

“当这个‘毛细管’尺寸十分接近水分子，大约1纳米时，水分子就会像一列火车一样有序地排列通过通道。”研究者拉胡尔·耐尔（Rahul Nair）在接受BBC采访时介绍^[4]。

从实验室到流水线

目前，这种方法能够有效过滤97%的氯化钠。尽管看起来前景光明，但它暂时仍仅仅局限于实验室。要知道，许多研究中的“潜力股”都败在了迈向工业生产的环节。先前也有研究尝试将石墨烯作为淡化膜，但因石墨烯制备难度大、成本高而止步不前。

虽然氧化石墨烯确实相对容易制备，可实现低成本的工业规模生产还有很长的路要走。

此外，应用层面的诸多问题仍有待解决。比如这种材料是否经得起长期的海水浸泡的考验，以及如何在使用过程中清理污垢，或定期更换过滤材料。材料学家拉姆·德文纳森（Ram Devanathan）认为，可以考虑在材料中加入一些纳米颗粒或者亲水基，或许能提高膜系统的性能^[2]。

接下来，科学家们计划把这种新材料和现有材料作比较，挖掘这种新材料的更多潜力^[3]。最终的目标是希望开发出一种低能耗高效的过滤膜系统^[2]。

石墨烯时代到来？

在这篇论文的作者名单中，一个名字格外耀眼——安德烈·海姆（Andre Geim）。他与同事康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）因在二维材料石墨烯领域的开创性实验方法，共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

海姆与诺沃肖洛夫赠送给瑞典诺贝尔博物馆的石墨、石墨烯电晶体与“签名款”胶带。

图片来源：nobelprize.org

当年海姆亲自带着爱徒诺沃肖洛夫，在实验室中利用双面胶带反复粘贴揭开，从石墨薄片上剥离出了高质量的石墨烯，被媒体称为“胶带撕出的诺奖”^[5]（海姆也于2000年获得了“搞笑诺贝尔奖”，成为首位同时获得“两个诺奖”的科学家，是位非常有趣的学者。）

最近几年，石墨烯与“亲戚们”石墨烯基材料一直是科研界的“大明星”。石墨烯表现出惊人的强度、优越的导电导热性等特点，在各个领域似乎都有它大施拳脚的可能。

但它“什么都好”，就是既贵又少。真正令科学家头疼的是，获得高质量的石墨烯十分困难，更别说大规模地制备生产。

2012年，诺沃肖洛夫与该领域的专家共同探讨了石墨烯未来的发展道路^[6]——尽管前途一片光明，但在走上工业流水线之前，石墨烯还称不上是“游戏规则的改变者”。真正的石墨烯时代，可能还需要我们等一等。

参考文献

[1] UN-Water (2013), ‘Water Scarcity Factsheet, UN, http://www.unwater.org/publications/publications-detail/en/c/204294;

[2] Devanathan, R. (2017), ‘Energy penalty for excess baggage’, Nature Nanotechnology;

[3] Abraham, J. et al. (2017), ‘Tunable sieving of ions using graphene oxide membranes’, Nature Nanotechnology;

[4] Rincon, P. (2017), ‘Graphene-based sieve turns seawater into drinking water’, BBC News, http://www.bbc.com/news/science-environment-39482342;

[5] Nobel Media AB (2010), ’Graphene – the perfect atomic lattice’, Nobelprize.org, https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/press.html;

[6] Novoselov, K. S. et al. (2012), ’A roadmap for graphene’, Nature Vol. 490, 192-200.

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